Các nhà khoa học Mỹ vừa tìm ra công nghệ giúp các pin làm từ vi khuẩn có khả năng tự cung năng lượng và có thể sản xuất ra một nguồn hyđrô vô hạn. Một mẫu pin nhiên liệu vi khuẩn được giới thiệu tại Bảo tàng Khoa học Luân Đôn (Anh). “Nhiều vi khuẩn trong môi trường tự nhiên có khả năng giải phóng cá...
Các nhà khoa học Mỹ vừa tìm ra công nghệ giúp các pin làm từ vi khuẩn có khả năng tự cung năng lượng và có thể sản xuất ra một nguồn hyđrô vô hạn.
Một mẫu pin nhiên liệu vi khuẩn được giới
thiệu tại Bảo tàng Khoa học Luân Đôn (Anh).
“Nhiều vi khuẩn trong môi trường tự nhiên có khả năng giải phóng các điện tử bên ngoài tế bào, nên có thể sản sinh ra điện khi chúng phá vỡ vật chất hữu cơ”, Giáo sư Bruce Logan thuộc Đại học Pennsylvania – đồng tác giả nghiên cứu – giải thích về nguyên lý hoạt động của pin vi khuẩn, một loại pin sinh học mới. Ê-kíp của ông đã sử dụng các vi khuẩn đó, đặc biệt có trong pin nhiên liệu vi khuẩn (MFC), để tạo ra điện năng. Bước đột phá ở đây là các nhà khoa học không cần sử dụng thêm nguồn điện nào khác từ bên ngoài để cung cấp cho hệ thống.
“Tất cả những gì chúng tôi cần làm là thêm một ít nước biển, nước ngọt, một số tấm màng vi khuẩn, và tạo ra điện”, giáo sư Logan cho biết. Pin điện phân vi khuẩn (MEC) sử dụng công nghệ điện thẩm thấu ngược (RED), nghĩa là tạo ra năng lượng từ sự chênh lệch về nồng độ muối giữa nước biển và nước ngọt. Trong báo cáo nghiên cứu của mình, giáo sư Logan và cộng sự Younggy Kim giải thích cách thức mà một hệ thống RED sử dụng các lớp màng để thu thập năng lượng, cũng như làm thế nào các phân tử di chuyển từ nước biển qua nước ngọt có thể tạo ra điện. “Đây là yếu tố quan trọng trong nghiên cứu mới nhất của chúng tôi”, giáo sư Logan nhận định. Theo ông, nếu chọn cách khử muối cho nước biển thì sẽ cần rất nhiều năng lượng. Tuy nhiên, nếu cho nước ngọt và nước biển tiếp xúc với nhau, chúng có thể tương tác và tạo ra năng lượng.
Giáo sư cho rằng công nghệ này vẫn còn ở giai đoạn nghiên cứu nên chưa thể được khai thác rộng rãi. Tuy nó có thể được sử dụng trong tương lai nhưng hiện tại chi phí còn quá đắt đỏ. Vì thế, vấn đề trước mắt là làm sao để hạ giá thành xuống. Ông cho biết kế tiếp, các nhà khoa học sẽ tiến hành sản xuất loại pin có kích cỡ lớn hơn và khi đó, việc tính toán chi phí và mức đầu tư cho nó sẽ dễ dàng hơn.
Nhóm nghiên cứu cho rằng hyđrô có tiềm năng trở thành vật chất mang điện hiệu quả. Sở dĩ nguyên tố này chưa được khai thác rộng rãi là do chi phí sản xuất quá cao và lại tiêu tốn nhiều nhiên liệu hóa thạch trong quá trình sản xuất, dẫn đến tổn hại môi trường.
Dù vậy, các nhà khoa học tin rằng nghiên cứu của họ đã mở ra một cơ hội mới cho tương lai. Công nghệ pin nhiên liệu vi khuẩn tự cung năng lượng có thể được ứng dụng để sản xuất ra khí hyđrô dồi dào mà không cần phải dùng đến bất cứ dòng điện nào bên ngoài. Ngoài ra, nó còn có tiềm năng trong lĩnh vực xử lý nước thải.
Các nhà khoa học Mỹ vừa giới thiệu một hướng phát triển pin sinh học, trong đó vi khuẩn tự cung cấp năng lượng cho hệ thống thay vì phụ thuộc vào dòng điện bên ngoài. Công nghệ này đồng thời mở ra khả năng sản xuất hyđrô dồi dào, một loại vật chất mang điện được đánh giá có tiềm năng lớn trong tương lai. Nếu tiếp tục được hoàn thiện, pin vi khuẩn có thể hỗ trợ xử lý nước thải và tạo nhiên liệu sạch hơn từ những nguồn nguyên liệu sẵn có.
Nguyên lý của thiết bị dựa trên khả năng đặc biệt của nhiều vi khuẩn trong môi trường tự nhiên, vốn có thể giải phóng điện tử ra bên ngoài tế bào khi phân hủy vật chất hữu cơ. Giáo sư Bruce Logan thuộc Đại học Pennsylvania, đồng tác giả nghiên cứu, cho biết quá trình này giúp vi khuẩn tạo ra điện trong pin nhiên liệu vi khuẩn. Nhóm nghiên cứu đã khai thác đặc tính ấy để chế tạo một hệ thống pin sinh học, thường được gọi là pin nhiên liệu vi khuẩn, viết tắt MFC.
Điểm đột phá nằm ở việc hệ thống không cần nhận thêm điện năng từ nguồn bên ngoài để duy trì hoạt động, khác với nhiều thiết kế trước đây. Theo giáo sư Logan, các thành phần cơ bản cần bổ sung chỉ gồm một lượng nước biển, nước ngọt và một số tấm màng vi khuẩn phù hợp. Khi các môi trường này tương tác trong cấu trúc pin, vi khuẩn cùng sự chênh lệch nồng độ muối sẽ góp phần tạo ra điện.
Thiết bị liên quan được gọi là pin điện phân vi khuẩn, viết tắt MEC, sử dụng công nghệ điện thẩm thấu ngược, thường được gọi là RED. Công nghệ RED thu năng lượng từ sự khác biệt nồng độ muối giữa nước biển và nước ngọt, thay vì phải cung cấp điện trực tiếp cho hệ thống. Trong báo cáo, giáo sư Logan và cộng sự Younggy Kim mô tả cách những lớp màng thu thập năng lượng khi các phân tử di chuyển từ vùng nước biển sang vùng nước ngọt.
Sự dịch chuyển ấy tạo nên dòng điện nhờ các ion đi qua màng theo chênh lệch nồng độ, khiến nước biển và nước ngọt trở thành nguồn năng lượng đáng chú ý. Giáo sư Logan xem đây là yếu tố quan trọng trong nghiên cứu mới, bởi hệ thống tận dụng quá trình tương tác tự nhiên giữa hai loại nước. Cách tiếp cận này khác với khử muối nước biển, quy trình thường đòi hỏi lượng năng lượng rất lớn để tách muối khỏi nước.
Dù triển vọng khá rõ, công nghệ hiện vẫn chỉ ở giai đoạn nghiên cứu và chưa thể triển khai rộng rãi trong thực tế, chủ yếu vì chi phí còn quá cao. Thách thức trước mắt của nhóm là giảm giá thành thiết bị, đồng thời đánh giá chính xác mức đầu tư cần thiết khi hệ thống được mở rộng. Bước tiếp theo là chế tạo những mẫu pin có kích thước lớn hơn, qua đó giúp việc tính toán chi phí vận hành trở nên thực tế hơn.
Nhóm nghiên cứu đặc biệt quan tâm đến hyđrô, vì nguyên tố này có thể trở thành chất mang điện hiệu quả cho nhiều ứng dụng năng lượng. Hyđrô chưa được khai thác rộng rãi do chi phí sản xuất cao, trong khi những quy trình hiện nay còn tiêu tốn nhiều nhiên liệu hóa thạch và gây tổn hại môi trường. Công nghệ pin vi khuẩn tự cung năng lượng được kỳ vọng tạo ra một hướng khác, sản xuất khí hyđrô dồi dào mà không cần sử dụng dòng điện bên ngoài.
Ý tưởng này chưa đồng nghĩa nguồn hyđrô vô hạn đã sẵn sàng cho thị trường, bởi hệ thống vẫn cần được kiểm chứng, mở rộng và làm cho tiết kiệm hơn. Tuy nhiên, khả năng kết hợp nước biển, nước ngọt, màng vi khuẩn cùng quá trình phân hủy vật chất hữu cơ đã mở thêm cánh cửa cho công nghệ năng lượng sinh học. Trong tương lai, cùng với sản xuất hyđrô, những pin này còn có thể góp phần xử lý nước thải, biến một vấn đề môi trường thành nguồn lực hữu ích.
